Hej.
Hvis man tror på Einsteins enkleste teori, hvor hovedindikatoren for forståelse af et emne er evnen til at forklare det så enkelt som muligt, så vil jeg i dette indlæg forsøge at forklare virkningen af en enkelt komponent af den nye standard så enkelt og detaljeret som muligt. Af en eller anden grund anser selv Wi-Fi Alliance den for uværdig til at blive nævnt i infografikken om de nye muligheder i Wi-Fi 6, selvom den, som vi snart vil se, er meget vigtig og bemærkelsesværdig. Ikke alt vil være dybtgående nok, og det er bestemt ikke altomfattende (for man kan ikke spise en så stor elefant selv i små dele), men jeg håber, at vi alle kan finde noget nyt og interessant i mine ord.
Den velkendte 802.11ax, som vi har ventet på i mere end to år, bringer mange nyheder og overraskelser. For enhver, der ønsker at fortælle om det, er der altid et valg: enten lave en overfladisk gennemgang, der nævner et væld af forkortelser og akronymer uden at falde i de komplekse mekanismer bag dem, eller dykke ned i en times præsentation om noget enkelt, som forfatteren finder mest interessant. Jeg vil tage et skridt længere: størstedelen af mit indlæg vil ikke engang handle om noget nyt!
I over tyve år har dele af trådløse dataoverførselsnetværk været bygget på en bunke standarder fra 802.11-familien, og som en respektabel taler burde jeg have kortlagt tidlinjen for alle de begivenheder, der har givet verden milliarder af sammenkoblede enheder — men som en respektabel forfatter vil jeg risikere ikke at gøre det. Alligevel ville det være rimeligt at minde hinanden om nogle ting.
Alle Wi-Fi-iterationer har haft fokus på pålidelighed, men ikke på maksimisering af båndbredde. Dette følger af adgangsmekanismen (CSMA/CA), som ikke er den mest optimale, når det gælder at presse de sidste kilobit per sekund ud af transmissionsmediet (man kan læse mere om verdens generelle ufuldkommenheder og Wi-Fi's specifikke i en artikel af min tidligere kollega. ), men utrolig robust i næsten alle forhold. Faktisk kan man bryde næsten alle grundlæggende principper for design af Wi-Fi-netværk — og i et sådant netværk vil dataudveksling stadig finde sted! Hele mekanismen, der har til formål at opnå det, der på engelsk kaldes et vanskeligt oversætteligt teknokratisk udtryk, robustness, er fokuseret på at give Wi-Fi-netværksklienter mulighed for at overføre og/eller modtage deres datadel. Hele laget af de lagte modulationsforstærkninger, aggregationen af dataframes (ikke helt korrekt, men det må være!) fortsætter med at fungere allerede efter de to grundlæggende principper fra 802.11, der sikrer denne uovertrufne pålidelighed:
- “Når én taler, er de andre stille”;
- “Alt andet end data siges langsomt og klart”.
Det andet punkt skade netværkets båndbredde langt mere, end man umiddelbart skulle tro. Her er et cool billede, der illustrerer et sendt datastykke i Wi-Fi-netværket:
Lad os finde ud af, hvad det betyder for almindelige mennesker, der ikke ved, hvor mange sider der er i standarden 802.11-2016. Den dataoverførselshastighed, som systemet angiver i egenskaberne for det trådløse netværk, og som markedsførere fra enhver producent viser på forsiden af adgangspunkter (nå, I har sikkert set det — 1,7 Gb/s! 2,4 Gb/s! 9000 Gb/s!), er ikke kun den spidse og maksimale ved 100% overførselsbelastning, men det er også hastigheden, hvorpå kun den blå del på denne smukke graf vil blive sendt. Alt andet vil blive overført med en hastighed, der på engelsk kaldes management rate (og på russisk også, fordi at oversætte sådanne udtryk truer med yderligere misforståelser mellem ingeniører), og som er langt lavere ikke bare med faktorer, men med HUNDREDE gange. For eksempel, uden nogen yderligere indstillinger, overfører et netværk på 802.11ac, der kan arbejde med klienter ved en kanalhastighed på 1300 Mb/s, al den administrative information (alt hvad der ikke er blåt på vores stadig mere skræmmende graf) ved en management rate på 6 Mb/s. Over to hundrede gange langsommere!
Et logisk spørgsmål – hvilken, undskyld, dag i hvilken måned kunne en sådan skadelig idé overhovedet komme ind i standarden, som milliarder af enheder over hele verden arbejder efter? Det logiske svar – kompatibilitet, kompatibilitet, kompatibilitet! Netværket på det nyeste access point skal være i stand til at fungere for enheder, der er ti og endda femten år gamle, og lige præcis i alle disse “ikke-blå” stykker flyder informationen, som de langsomme, ældre enheder vil fange, forstå korrekt og ikke forsøge at sende deres data under de superhurtige datachunks. Robusthed kræver ofre!
Nu er jeg klar til at give alle interesserede det uundgåelige værktøj til at blive chokeret over de potentielt mistede megabit i moderne Wi-Fi – det er blevet obligatorisk at studere i de relevante ingeniørkredse. WiFi AirTime Calculator af den norske entusiast inden for 802.11 Gjermund Raaen. Den er tilgængelig på – resultatet af hans arbejde ser cirka sådan her ud:
Linje 1 – tiden brugt på at overføre en datapakke på 1512 bytes af en enhed med 802.11n i en 20 MHz kanalbredde.
Linje 2 – tiden brugt på at overføre den samme pakke af en enhed med samme antenneformel, men der allerede arbejder efter 802.11ac standarden i en 80 MHz kanalbredde.
Hvordan er det muligt – "der er ødelagt" fire gange mere af frekvensen, den maksimale modulering er blevet mere kompleks fra 64QAM til 256QAM, kanalhastigheden er mere i SEKS gange (433 Mb/s i stedet for 72 Mb/s), men der er kun vundet 25% af tiden i frekvensen?
Kompatibilitet og to principper fra 802.11, husker I?
Godt, hvordan kan vi rette en sådan uretfærdighed og spild – spørger vi os selv, som hver arbejdsgruppe i IEEE sikkert har spurgt, når de startede med at skabe standarden? Der dukker flere logiske veje op:
- At fremskynde dataoverførslen i den “grønne” del af grafen. Dette gøres ved hver standardudgivelse, fordi store tal ser godt ud på kasserne. I praksis giver det, som vi lige har bemærket, en begrænset gevinst – selv hvis vi fremskynder kanalhastigheden til hundrede tusinde millioner gigabit pr. nanosekund, vil alle andre dele af grafen ikke forsvinde. Derfor anbefaler jeg at udelade afsnit, hvor der nævnes megabit per sekund i alle fortællinger om de nye standarder inden for 802.11.
- Accelerere alle andre dele af diagrammet. Faktisk, hvis vi i det mindste fordobler hastigheden, hvormed alt "ikke-grønt" overføres (eller "ikke-blåt", hvis du stadig kigger på det tidligere billede), så får vi lidt under 50 % stigning i den reelle båndbredde — dog på bekostning af kompatibilitet med enheder og en række nuancer, som du vil lære, når du forbereder dig til eksamen for den stolte titel CWNA 🙂 Spoiler: det lykkes ikke altid, og det er nødvendigt at tænke grundigt over, hvad det vil føre til. Faktisk overtræder det et af de to principper for 802.11, så her må man være meget forsigtig!
- Sammensætte flere sådanne rammer med de grønne dele. Jo længere den grønne del er, jo mere effektivt fungerer hastighedsforøgelsen. Ja, det er en fungerende strategi, der først opstod i 802.11n og er en af de grundpiller, der gør det revolutionerende. Problemet er bare, at for det første, en række applikationer overhovedet ikke interesserer sig for sådan aggregering (for eksempel den blodtørstige Voice over Wi-Fi), og for det andet, en række enheder også overhovedet ikke interesserer sig for det (en gang forsøgte jeg at opsnappe nogle af disse aggregerede rammer på et rigtig netværk fra firmaet, jeg arbejder i, men ud af >500k "opfangede" rammer var der præcis nul. Sandsynligvis skyldes det min dataindsamlingsmetodologi, men jeg er klar til at diskutere den med enhver interesseret i en privat samtale!).
- Overtræde det første af de to principper for 802.11 ved at begynde at tale, når nogen allerede taler. Og her kommer 802.11ax til hjælp.
Hvor dejligt, endelig er jeg i min fortælling om Wi-Fi 6 nået til selve Wi-Fi 6! Hvis du stadig læser dette, så er du enten tvunget til det af en eller anden grund, eller også er du virkelig interesseret. Så, selvom 802.11ax arver en stor del af de tidligere præstationer fra hele 802.11-familien (og ikke kun det, faktisk — nogle seje ting dukkede op i 802.16, også kendt som WiMAX), er der stadig noget i det, der er friskt og originalt. Normalt får disse ord præsentationen af et sådant billede, tilgængeligt på Wi-Fi Alliance's hjemmeside:
Som jeg nævnte i starten, kan vi i en enkelt letlæselig artikel kun undersøge et af disse centrale punkter, nærmere bestemt, ikke noget af det, der er vist på billedet (overraskelse!). Jeg er sikker på, at du allerede har læst millioner af korte beskrivelser af hver af disse otte nøgleelementer, men jeg vil fortsætte min langvarige beretning om, hvad der følger med OFDMA - om multipel adgang til mediet (MU-access control), som vi kan se, ikke er nævnt i infografikken. Og det er en skam!
Multipel adgang er det, der gør opdeling af kanalen i undertilstande meningsløst. Hvorfor forsøge at se på forskellige dele af spektret, hvis der ikke er en mekanisme, der kan få kunderne i det nye Wi-Fi 6-netværk til at bryde et af de hidtil ufravigelige regler og begynde at tale samtidig? Og selvfølgelig måtte en sådan mekanisme opstå – og reducere indflydelsen af problemet med 'lang' sammenlignet med kontroloplysningerne. Hvordan? Jo, ganske enkelt: lad den 'langsomme', kontroldel blive distribueret som før, mens den 'hurtige' del, hvor dataene direkte sendes, sendes samtidig fra flere (eller flere) enheder på et signal! Det ser ud omtrent sådan her ud:
Det ser kompliceret ud, men kan i sin essens forklares ret let: adgangspunktet fortæller via en speciel ramme, som er forståelig for alle (selv ikke Wi-Fi 6!) enheder, at det er klar til at transmittere data samtidigt til STA1 og STA2. Da 'headeren' i denne ramme er fuldt forståelig selv for ret gamle klienter, drager de den rigtige konklusion, at frekvensbåndet vil være optaget i en bestemt periode til transmission af information til andre klienter i netværket, og begynder at tælle ned til slutningen af denne periode (som de altid har gjort i Wi-Fi). Men enhederne STA1 og STA2 forstår, at de nu vil modtage data på en ny måde, samtidigt, hver på sin del af kanalen, og svarer til adgangspunktet også samtidigt, hvorefter de ligeledes synkront bekræfter modtagelsen af rammerne (hver med sin portion data!), og mediet bliver igen frit. 'Nedefra og op' fungerer det omtrent således:
Den mest markante forskel er, at adgangspunktet i denne situation informerer stationer, der kan kommunikere samtidigt, om hvornår de skal starte transmissionen ved hjælp af en speciel ramme, der hedder Trigger. Dette fungerer i bund og grund som en ny "aftrækker" for hele mekanismen til samtidig adgang til miljøet, hvilket efter min beskedne mening er en af de mest vigtige innovationer "under motorhjelmen" i den nye standard. Her får kunderne et "tidsplan", der viser, hvordan de skal dele en enkelt frekvenskanal; her informerer kunderne samtidigt adgangspunktet om, at de har modtaget deres datamængder og har været i stand til at forstå dem. I denne ramme underretter adgangspunktet alle, der kan "tale" samtidigt, om begyndelsen af datatransmissionen — og i denne ramme starter adgangspunktet også afsendelsen af de data, det har brug for. Den nye mekanisme Trigger frame reducerer i bund og grund den irrationelle brug af luftplads så effektivt som muligt, afhængig af hvor mange kunder, der kan bruge den og forstå den korrekt!
Lad os nu opsummere de vigtigste punkter, der følger af hele denne lange fortælling og berettiger sig selv til TL;DR:
- Adgangspunktet for den nye standard 802.11ax, også baseret på blot en af mange nyheder, begynder at øge den samlede båndbredde af hele netværket allerede fra den anden kompatible klientenhed! Så snart der er mindst to klienter, der kan tale samtidigt, vil de, under forudsætning af at alt andet er lige (jeg har ikke nogen grund til at tro, at driverne til klientens radiomoduler vil blive skrevet bedre end før, hvilket betyder, at aggregationen af "nyttige" dele af rammerne og mange andre klientafhængige funktioner stadig vil fungere "gennemsnitligt for zoo"), allerede forbedre den gennemsnitlige båndbredde. Så hvis du overvejer et nyt Wi-Fi-netværk, giver det mening at overveje de nyeste og bedste adgangspunkter med det samme, for selvom der i øjeblikket måske er få klienter til dem — vil situationen ikke vare ved længe.
- Alle tricks og kneb, som i dag findes i en dygtig trådløs ingeniørs værktøjskasse, vil længe forblive relevante - adgangsmekanismen til miljøet er blevet opdateret, hvilket har brudt de grundlæggende principper, der har været gældende i over 20 år, men fokus er stadig på kompatibilitet. Det er stadig nødvendigt at frasortere de "langsomme" management rates (og det er stadig nødvendigt at forstå, hvorfor og hvornår), og det er stadig nødvendigt at planlægge det fysiske niveau korrekt, for intet mekanisme på datalinkniveauet vil fungere, hvis der er problemer på det fysiske niveau. Der er blot blevet mulighed for at gøre endnu bedre.
- Næsten alle beslutninger i Wi-Fi 6 træffes af adgangspunktet. Som vi kan se, styrer det adgangen til klienter i miljøet ved at samle enheder i "perioder" af samtidig aktivitet. Efter at have bevæget os lidt væk fra emnet - arbejdet med TWT er også helt på skuldrene af adgangspunktet. Nu skal AP ikke kun "sende netværk" og opbevare trafik i køer, men også holde rede på alle klienterne ved at planlægge, hvordan de bedst kan samles med hinanden baseret på deres båndbredde og trafikbehov, deres batterier og meget, meget mere - jeg kalder denne proces "orkestrering". Algoritmerne, som adgangspunktet vil bruge til at træffe alle disse beslutninger, er ikke reguleret, hvilket betyder, at producenternes evne til at udvikle kvalitetsalgoritmer og struktureret tilgang vil komme til udtryk. Jo bedre adgangspunkterne kan forudsige klienternes behov, desto bedre og mere jævnt kan de samle dem i grupper af flere brugere - derfor vil ressourcerne i æteren blive brugt mere rationelt, og den samlede båndbredde for et sådant adgangspunkt vil være højere. Algoritmen - den sidste grænse!
- Overgangen fra Wi-Fi 5 til Wi-Fi 6 er i sin essens og betydning lige så revolutionerende som overgangen fra 802.11g til 802.11n. Dengang fik vi flerkanalsfunktionalitet og aggregering af "nyttelast" — nu får vi samtidig adgang til miljøet og endelig fungerende MU-MIMO og Beamforming (for det første, som vi ved, er det næsten det samme; for det andet, diskussionen om “hvorfor MU-MIMO blev opfundet i 802.11ac, men ikke kunne fås til at fungere” — det er et emne til en helt anden stor artikel 🙂 ). Både 802.11n og Wi-Fi 6 arbejder i begge frekvensbånd (2,4 GHz og 5 GHz), i modsætning til de “mellemliggende” forgængere — sandelig, “seks er det nye fire”!
Lidt om oprindelsen af denne artikel
Artiklen blev skrevet til en konkurrence, der blev afholdt af Huawei (oprindeligt offentliggjort ). I høj grad byggede jeg min skrivning på mit eget foredrag på konferencen 'Uden Tråde', som fandt sted i 2019 i St. Petersborg (optagelsen af præsentationen kan ses , men vær opmærksom på — lydkvaliteten er, for at sige det mildt, ikke særlig god, på trods af videoens oprindelse fra St. Petersborg!).
Kilde: habr.com
